KR20200013969A - 라만 프로브 및 이를 이용한 생체 성분 분석 장치 - Google Patents
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Abstract
일 양상에 따른 라만 프로브는, 피검체에 광을 조사하는 광원부와, 반사를 통해 상기 피검체로부터의 라만 산란광을 1차 집광하며, 광축을 기준으로 입사구의 반사면 기울기가 상기 출사구의 반사면 기울기보다 작은 집광기와, 상기 1차 집광된 라만 산란광을 2차 집광하는 집광 렌즈와, 상기 2차 집광된 라만 산란광을 검출하는 광 검출기를 포함할 수 있다.
Description
라만 프로브 및 이를 이용한 생체 성분 분석 장치와 관련된다.
라만 분광분석법과 같은 분광학적 분석 기술 기반의 비침습 생체 센서는 채혈없이 혈중 물질을 측정할 수 있으므로 사용자의 편의를 증진시킬 수 있다. 특히, 위와 같은 비침습 분석 기술은 개인별 피부 스펙트럼으로부터 진피층에 존재하는 간질액 분석을 통해 혈중성분의 신호 예측에 활용될 수 있다. 그러나, 이러한 비침습 생체 센서의 경우 일반적으로 측정되는 라만 신호의 양이 적고, 특히 기존에 알려진 영상 기반의 검사 광학계 및 내시경 형태의 라만 프로브를 이용하여 피부라는 탁한(turbid) 매질에 대한 라만 신호를 측정하는 경우, 라만 광에 대한 집광 효율이 매우 낮다.
집광 효율을 증가시킬 수 있는 라만 프로브 및 이를 이용한 생체 성분 분석 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 라만 프로브는, 피검체에 광을 조사하는 광원부와, 반사를 통해 상기 피검체로부터의 라만 산란광을 1차 집광하며, 광축을 기준으로 입사구의 반사면 기울기가 출사구의 반사면 기울기보다 작은 집광기와, 상기 1차 집광된 라만 산란광을 2차 집광하는 집광 렌즈와, 상기 2차 집광된 라만 산란광을 검출하는 광 검출기를 포함할 수 있다.
상기 집광기는, 광축을 회전축으로 하는 회전체일 수 있다.
상기 집광기의 반사면은, 상기 집광기의 내주면에 형성될 수 있다.
상기 집광기는, 입사구에서 출사구로 갈수록 반사면 기울기가 커질 수 있다.
상기 집광기의 출사구의 내측 직경과 상기 집광 렌즈의 클리어 어퍼쳐(clear aperture)의 차이가 소정의 임계값 이하일 수 있다.
상기 집광기의 광축 방향 길이는, 상기 입사구의 내측 직경의 10배 이하일 수 있다.
상기 집광기와 상기 집광 렌즈 사이의 거리는, 상기 집광기의 광축 방향 길이보다 작을 수 있다.
상기 집광기는, 상기 피검체로부터의 라만 산란광 중 상기 집광 렌즈의 수광각(acceptance angle)을 초과하는 각도의 라만 산란광은 반사시키고, 상기 피검체로부터의 라만 산란광 중 상기 집광 렌즈의 수광각 이하 각도의 라만 산란광은 반사시키지 않을 수 있다.
상기 집광기의 내측 반경은, 입사구의 내측 반경, 입사구의 반사면 기울기, 및 광축 방향 거리를 기반으로 결정될 수 있다.
상기 입사구의 내측 반경 및 상기 입사구의 반사면 기울기는, 상기 집광 렌즈의 뉴메리컬 어퍼쳐(Numerical Aperture), 상기 광 검출기의 크기, 및 상기 광 검출기가 검출할 수 있는 최대 발산각(divergence angle) 중 하나 이상을 고려하여 결정될 수 있다.
라만 프로브는, 상기 집광 렌즈와 상기 광 검출기 사이에 배치되는 광 파이버를 더 포함할 수 있다.
다른 양상에 따른 라만 프로브는, 피검체에 광을 조사하는 광원과, 반사를 통해 상기 피검체로부터의 라만 산란광을 1차 집광하며, 광축을 기준으로 입사구의 반사면 기울기가 출사구의 반사면 기울기보다 작은 집광기와, 상기 집광된 라만 산란광을 검출하는 광 검출기를 포함할 수 있다.
상기 집광기는, 광축을 회전축으로 하는 회전체일 수 있다.
상기 집광기의 반사면은, 상기 집광기의 내주면에 형성될 수 있다.
상기 집광기는, 입사구에서 출사구로 갈수록 반사면 기울기가 커질 수 있다.
상기 집광기의 광축 방향 길이는, 상기 입사구의 내측 직경의 10배 이하일 수 있다.
상기 집광기와 상기 광 검출기 사이의 거리는, 상기 집광기의 광축 방향 길이보다 작을 수 있다.
상기 집광기는, 상기 피검체로부터의 라만 산란광 중 상기 광 검출기가 검출할 수 있는 최대 발산각을 초과하는 각도의 라만 산란광은 반사시키고, 상기 피검체로부터의 라만 산란광 중 상기 광 검출기가 검출할 수 있는 최대 발산각 이하 각도의 라만 산란광은 반사시키지 않을 수 있다.
상기 집광기의 내측 반경은, 입사구의 내측 반경, 입사구의 반사면 기울기, 및 광축 방향 거리를 기반으로 결정될 수 있다.
상기 입사구의 내측 반경 및 상기 입사구의 반사면 기울기는, 상기 광 검출기의 크기, 및 상기 광 검출기가 검출할 수 있는 최대 발산각(divergence angle) 중 하나 이상을 고려하여 결정될 수 있다.
곡면의 반사면을 포함하는 집광기와 렌즈를 이용함으로써 라만 프로브의 집광 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 라만 소스의 오프셋이 있는 경우에도 높은 집광 효율을 유지할 수 있다.
도 1은 라만 프로브의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 집광기의 반사면을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 집광기의 입사구의 반사면 기울기에 따른 광 검출기에 도달하는 광의 최대 발산각(divergence angle)의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 집광기와 집광 렌즈를 이용한 경우와 집광 렌즈만을 이용한 경우의 집광 정도를 비교한 예시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 라만 프로브의 집광 효율 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 6은 라만 소스의 오프셋이 있는 경우, 라만 프로브의 집광 효율을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 라만 프로브의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 라만 프로브의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 라만 프로브의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 10는 생체 성분 추정 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 11은 생체 성분 분석 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 집광기의 반사면을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 집광기의 입사구의 반사면 기울기에 따른 광 검출기에 도달하는 광의 최대 발산각(divergence angle)의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 집광기와 집광 렌즈를 이용한 경우와 집광 렌즈만을 이용한 경우의 집광 정도를 비교한 예시도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 라만 프로브의 집광 효율 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 6은 라만 소스의 오프셋이 있는 경우, 라만 프로브의 집광 효율을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 라만 프로브의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 8은 라만 프로브의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 라만 프로브의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 10는 생체 성분 추정 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 11은 생체 성분 분석 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
한편, 각 단계들에 있어, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 수행될 수 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주 기능별로 구분한 것에 불과하다. 즉, 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있다. 각 구성부는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 라만 프로브의 일 실시예를 도시한 도면이고, 도 2는 집광기의 반사면을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 라만 프로브(100)는 광원부(110), 집광기(120), 집광 렌즈(130) 및 광 검출기(140)를 포함할 수 있다.
광원부(110)는 샘플에 광을 조사할 수 있다. 이를 위해 광원부(110)는 적어도 하나 이상의 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원은 소정 파장의 광, 예컨대, 가시광선 또는 적외선을 샘플에 조사할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 측정 목적이나 분석 대상 등에 따라 광원으로부터 조사되는 광의 파장은 달라질 수 있다. 그리고 각 광원은 반드시 단일의 발광체로 구성될 필요는 없으며, 다수의 발광체의 집합으로 구성될 수도 있다. 각 광원이 다수의 발광체의 집합으로 구성되는 경우, 다수의 발광체는 측정 목적에 적합하도록 서로 다른 파장의 광을 방출할 수도 있고 모두 동일한 파장의 광을 방출할 수도 있다. 일 실시예에 따르면 광원은 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode) 등으로 형성될 수 있으나 이는 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에 따르면, 광원부(110)는 특정 파장의 광을 선택하기 위한 필터(예컨대, long pass filter, clean up filter, bandpass filter 등) 및/또는 조사된 광이 샘플의 원하는 위치를 향하도록 하는 광학 요소(예컨대, 반사 거울 등)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광원부(110)는 집광기(120) 또는 집광 렌즈(130)의 좌측, 우측, 전방, 후방 등에 위치하여 집광기(120) 또는 집광 렌즈(130)의 옆에서 비스듬하게 광을 피검체에 조사하도록 구현될 수 있다.
집광기(120)는 피검체로부터의 라만 산란광을 반사를 통해 1차 집광할 수 있다. 집광기(120)는 내주면과 외주면을 포함하며, 광축(Z 축)을 회전축으로 하는 회전체로서 내주면에 반사면이 형성될 수 있다.
집광기(120)는 피검체로부터의 라만 산란광이 입사되는 입사구와 입사구를 통해 입사된 라만 산란광이 출사되는 출사구를 포함하며, 입사구와 출사구를 통해 피검체로부터의 라만 산란광을 통과시킬 수 있다.
입사구를 통해 입사된 라만 산란광 중 일부 또는 전부를 반사할 수 있도록, 집광기(120)의 내주면이 광 반사율이 높은 금속(예컨대, 금)으로 도금될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 내주면이 반사경 등으로 형성되는 것도 가능하다.
집광기(120)는 광축(Z 축)을 기준으로 입사구의 반사면 기울기(tanθ)가 출사구의 반사면 기울기(tanθ')보다 작도록 형성될 수 있다. 이때 반사면 기울기는 광축(z 축)을 기준으로 한 반사면의 광축 방향 접선의 기울기를 나타낼 수 있다. 일 실시예에 따르면, 집광기(120)는 입사구에서 출사구로 갈수록 반사면 기울기가 커지도록 형성될 수 있다.
집광기(120)는 입사된 라만 산란광 중 특정 각도를 초과하는 각도의 라만 산란광 만을 반사시킬 수 있다. 예컨대, 집광기(120)는 입사된 라만 산란광 중 집광 렌즈(130)의 수광각(acceptance angle)을 초과하는 각도의 라만 산란광은 반사시키고, 입사된 라만 산란광 중 집광 렌즈(130)의 수광각 이하 각도의 라만 산란광은 반사시키지 않을 수 있다.
집광기(120)의 광축 방향 거리별 내측 반경(r)은 입사구의 내측 반경(R0), 입사구의 반사면 기울기(tanθ), 및 광축 방향 거리(z)를 기반으로 결정될 수 있다. 예컨대, 집광기(120)의 광축 방향 거리별 내측 반경은 수학식 1로 결정될 수 있다.
여기서, 
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는 계수를 나타낼 수 있으며, 입사구의 내측 반경(R0), 입사구의 반사면 기울기(tanθ), 및 계수 
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, 
는 집광 렌즈(130)의 뉴메리컬 어퍼쳐(Numerical Aperture, NA), 광 검출기(140)의 크기, 광 검출기가 검출할 수 있는 최대 발산각(divergence angle) 등 시스템의 특성 및 사양을 고려하여 결정될 수 있다.
한편, 집광기(120)의 내주면, 즉 반사면은 상술한 수학식 1의 곡선(210)을 광축(z 축)을 회전축으로 하여 회전함으로써 형성될 수 있다.
집광기(120)를 통과한 모든 광선이 집광 렌즈(130)의 클리어 어퍼쳐(clear aperture)를 통과할 수 있도록, 집광기(120)의 출사구의 내측 직경은 집광 렌즈(130)의 클리어 어퍼쳐(clear aperture)와 동일 또는 유사할 수 있다. 예컨대, 집광기(120)의 출사구의 내측 직경과 집광 렌즈(130)의 클리어 어퍼쳐의 차이가 소정의 임계값 이하일 수 있다. 또한, 집광기(120)의 광축 방향 길이(D)는 입사구의 내측 직경(2R0)의 10배 이하일 수 있다.
집광 렌즈(130)는 집광기(120)를 통해 1차 집광된 라만 산란광을 2차 집광할 수 있다.
한편, 집광기(120)와 집광 렌즈(130) 사이의 거리는 집광기(120)의 광축 방향 길이보다 작을 수 있다. 즉, 집광기(120)와 집광 렌즈(130) 사이의 거리가 집광기(120)의 광축 방향 길이보다 작도록 집광기(120)와 집광 렌즈(130)가 배치될 수 있다.
광 검출기(140)는 집광 렌즈(130)에서 2차 집광된 라만 산란광을 검출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광 검출기(140)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor), 시모스(Complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) 또는 전자 결합 소자(charge-coupled device, CCD) 등을 포함할 수 있다. 광 검출기(140)는 반드시 하나의 소자로 구성될 필요는 없으며, 다수의 소자들이 모여 어레이 형태로 구성될 수도 있다.
한편, 도 1은 하나의 집광기를 포함하고 있으나 이에 한정되지 않는다. 즉, 광 검출기(140)와 피검체의 형태에 따라, 복수의 집광기들이 모여 어레이 형태로 구성될 수도 있다.
도 3은 집광기의 입사구의 반사면 기울기에 따른 광 검출기에 도달하는 광의 최대 발산각(divergence angle)의 예를 도시한 도면이다. 더욱 상세하게는, 도 3은 입사구의 내측 반경 R0=1mm, 집광 렌즈의 NA=0.5, 
=
=
=0, 
=0.5인 경우, 즉, 수학식 1이 
인 경우의 입사구의 반사면 기울기에 따른 집광된 광의 최대 발산각을 도시한다.
도 3을 참조하면, 입사구의 반사면 기울기의 각도(θ)가 30ㅀ근방일 때, 광 검출기에 도달하는 광의 최대 발산각이 가장 작아짐을 알 수 있다. 이는 입사구의 반사면 기울기의 각도(θ)가 집광 렌즈의 수광각(도시된 예의 경우, 집광 렌즈의 NA=0.5이므로 집광 렌즈의 수광각은 30ㅀ임)과 유사할 경우, 광 검출기에 도달하는 광의 최대 발산각이 최소가 된다는 것을 의미할 수 있다.
도 4는 집광기와 집광 렌즈를 이용한 경우와 집광 렌즈만을 이용한 경우의 집광 정도를 비교한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 집광기(120)와 집광 렌즈(130)를 이용한 경우(a), 집광 렌즈(130)의 수광각을 초과하는 각도의 라만 산란광(예컨대, 피검체의 표면을 타고 측면으로 발생하는 라만 산란광)은 집광기(120)의 반사면에 반사되어 발산각이 집광 렌즈(130)의 수광각 이하의 각도로 변경된다. 따라서, 집광 렌즈(130)의 수광각을 초과하는 각도의 라만 산란광도 집광되어 집광 렌즈(130)로 전달하는 것이 가능하다.
반면, 집광기(120) 없이 집광 렌즈(130)만을 이용한 경우(b), 집광 렌즈(130)의 수광각을 초과하는 각도의 라만 산란광은 집광 렌즈(130)에 전달되지 않는다.
즉, 집광기(120) 없이 집광 렌즈(130)만을 이용한 경우(b)보다 집광기(120)와 집광 렌즈(130)를 이용한 경우(a)에 집광 효율이 매우 증가하는 것을 알 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 라만 프로브의 집광 효율 시뮬레이션 결과를 도시한다. 더욱 상세하게는, 도 5는 입사구의 내측 반경 R0=1mm, 입사구의 반사면 기울기의 각도 θ=30ㅀ, 집광 렌즈의 NA=0.5, 
=
=
=0, 
=0.5인 경우, 즉, 수학식 1이 
인 경우의 라만 프로브의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 직경 1mm의 샘플 표면에서 라만 산란광이 2π 입체각의 반구를 균일하게 채워 발생하는 이상적인 경우(반사면의 반사도 = 100 %), 시뮬레이션 결과는 집광기와 집광 렌즈를 포함하는 경우(a)에는 집광 효율이 99% 이상(도시된 예의 경우, 50,000,000개의 광선 중 49,999,927개의 광선이 검출됨)인 반면, 집광기는 없고 집광 렌즈만을 포함하는 경우(b)에는 집광 효율은 약 25%라는 것을 알 수 있다.
또한, 집광기와 집광 렌즈를 포함하는 경우(a)에는, 위치 공간(position space) 그래프에 도시된 바와 같이 직경 10mm 의 공간에서 광이 검출되고, 각도 공간(angle space) 그래프에 도시된 바와 같이 검출된 광의 발산각은 16ㅀ이하임을 알 수 있다.
도 6은 라만 소스의 오프셋이 있는 경우, 라만 프로브의 집광 효율을 설명하기 위한 예시도이다. 더욱 상세하게는, 도 6은 입사구의 내측 반경 R0=1mm, 입사구의 반사면 기울기의 각도 θ=30ㅀ, 집광 렌즈의 NA=0.5, 
=
=
=0, 
=0.5인 경우, 즉, 수학식 1이 
인 경우의 라만 프로브에 대한 라만 소스 오프셋별 집광 효율을 도시한다. 여기서 라만 소스는 라만 산란광이 방출되는 샘플 영역을 나타낼 수 있다. 도시된 예의 경우 라만 소스는 직경 1mm라고 가정한다.
도 6을 참조하면, 라만 소스(620)가 입사구 영역(610)를 벗어나지 않는 경우(offset=0인 경우, 및 offset=0.5mm인 경우)는 집광 효율은 거의 100%인 반면, 라만 소스(620)가 입사구(610)를 벗어나는 경우(offset=0.7mm인 경우, 및 offset=1.0mm인 경우)는 집광 효율이 급속히 떨어짐을 알 수 있다.
즉, 일 실시예에 따른 라만 프로브는 x축 방향 또는 y축 방향으로 라만 소스(620)의 오프셋이 있는 경우라도, 라만 소스(620)가 집광기의 입사구(610)를 벗어나지 않는다면 집광 효율을 높은 수준으로 유지할 수 있다.
도 7은 라만 프로브의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 라만 프로브(700)는 광원부(110), 집광기(120), 집광 렌즈(130) 및 광 검출기(140)를 포함할 수 있다.
도 7의 라만 프로브(700)는 도 1의 라만 프로브(100)와 비교하여, 광원부(110)의 위치가 다르다는 것을 알 수 있다. 즉, 도 7의 라만 프로브(700)는 광원부(110)가 광 검출기(110) 상부에서 광축에 수직하게 광을 조사할 수 있도록 구현될 수 있다.
한편, 광원부(110), 집광기(120), 집광 렌즈(130) 및 광 검출기(140)에 대한 자세한 설명은 도 1을 참조하여 전술한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8은 라만 프로브의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 라만 프로브(800)는 광원부(110), 집광기(120), 집광 렌즈(130), 광 검출기(140), 및 광 파이버(810)를 포함할 수 있다.
도 8의 라만 프로브(800)는 도 1의 라만 프로브(100)와 비교하여, 집광 렌즈(130)와 광 검출기(140)에 사이에 배치되는 광 파이버(810)를 더 포함할 수 있다. 즉, 도 8의 라만 프로브(800)의 경우 집광 렌즈(130)에서 2차 집광된 라만 산란광은 광 파이버(810)를 통과하여 광 검출기(110)에 검출될 수 있다.
한편, 광원부(110), 집광기(120), 집광 렌즈(130) 및 광 검출기(140)에 대한 자세한 설명은 도 1을 참조하여 전술한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9는 라만 프로브의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 라만 프로브(900)는 광원부(110), 집광기(120), 및 광 검출기(140)를 포함할 수 있다.
도 9의 라만 프로브(900)는 도 1의 라만 프로브(100)와 비교하여, 집광 렌즈(130)가 생략될 수 있다. 즉, 도 9의 경우, 광 검출기(140)는 집광기(120)에서 집광된 광을 검출할 수 있다.
이때, 집광기(120)는 피검체로부터의 라만 산란광 중 광 검출기(140)가 검출할 수 있는 최대 발산각을 초과하는 각도의 라만 산란광은 반사시키고, 상기 피검체로부터의 라만 산란광 중 광 검출기(140)가 검출할 수 있는 최대 발산각 이하 각도의 라만 산란광은 반사시키지 않을 수 있다. 또한, 집광기(120)와 광 검출기(140) 사이의 거리는 집광기(120)의 광축 방향 길이보다 작을 수 있다.
한편, 광원부(110), 집광기(120) 및 광 검출기(140)에 대한 자세한 설명은 도 1을 참조하여 전술한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 10는 생체 성분 추정 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 10를 참조하면, 생체 성분 추정 장치(1000)는 라만 프로브(1010) 및 프로세서(1020)를 포함할 수 있다. 여기서, 라만 프로브(1010)는 도 1 내지 도 9을 참조하여 전술한 라만 프로브(100, 700, 800, 900)와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
프로세서(1020)는 생체 성분 추정 장치(1000)의 전반적인 동작을 제어하고, 생체 성분 추장 장치(1000)의 동작과 관련된 각종 신호를 처리할 수 있다.
프로세서(1020)는 라만 프로브(1010)를 통해 검출된 라만 산란광을 기반으로 피검체에 대한 라만 스펙트럼을 획득할 수 있다.
또한, 프로세서(1020)는 획득된 라만 스펙트럼을 분석하여 피검체의 생체 성분을 추정할 수 있다. 여기서, 생체 성분은 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 등을 포함하는 혈중 성분, 및 콜라겐, 케라틴 및 엘라스틴 등을 포함하는 피부내 성분 등을 포함할 수 있다.
도 11은 생체 성분 분석 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 생체 성분 분석 장치(1100)는 라만 프로브(1110), 프로세서(1120), 입력부(1130), 저장부(1140), 통신부(1150), 및 출력부(1160)를 포함할 수 있다. 여기서, 라만 프로브(1110) 및 프로세서(1120)은 도 10의 라만 프로브(1010) 및 프로세서(1020)와 각각 동일하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
입력부(1130)는 사용자로부터 다양한 조작신호를 입력 받을 수 있다. 일 실시예에 따르면, 입력부(1030)는 키 패드(key pad), 돔 스위치(dome switch), 터치 패드(touch pad)(정압/정전), 조그 휠(Jog wheel), 조그 스위치(Jog switch), H/W 버튼 등을 포함할 수 있다. 특히, 터치 패드가 디스플레이와 상호 레이어 구조를 이룰 경우, 이를 터치 스크린이라 부를 수 있다.
저장부(1140)는 생체 성분 분석 장치(1100)의 동작을 위한 프로그램 또는 명령들을 저장할 수 있고, 생체 성분 분석 장치(1100)에 입력되는 데이터 및 생체 성분 분석 장치(1100)로부터 출력되는 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 저장부(1140)는 획득된 피검체의 라만 스펙트럼 및/또는 추정된 피검체의 생체 정보 등을 저장할 수 있다.
저장부(1140)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드 디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예컨대, SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 등 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 또한, 생체 성분 분석 장치(1100)는 인터넷 상에서 저장부(1140)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage) 등 외부 저장 매체를 운영할 수도 있다.
통신부(1150)는 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. 예컨대, 통신부(1150)는 사용자로부터 입력된 데이터, 피검체의 라만 스펙트럼 및/또는 피검체의 생체 정보 등을 외부 장치로 전송하거나, 외부 장치로부터 라만 스펙트럼 획득 및/또는 생체 성분 추정에 도움이 되는 다양한 데이터를 수신할 수 있다.
이때, 외부 장치는 사용자로부터 입력된 데이터, 피검체의 라만 스펙트럼 및/또는 피검체의 생체 정보 등을 사용하는 의료 장비, 결과물을 출력하기 위한 프린트 또는 디스플레이 장치일 수 있다. 이외에도 외부 장치는 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 휴대폰, 스마트 폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
통신부(1150)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), WLAN 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(Infrared Data Association, IrDA) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra-wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 3G 통신, 4G 통신 및 5G 통신 등을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 그러나, 이는 일 예에 불과할 뿐이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
출력부(1160)는 사용자로부터 입력된 데이터, 피검체의 라만 스펙트럼 및/또는 피검체의 생체 정보 등을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 출력부(1160)는 사용자로부터 입력된 데이터, 피검체의 라만 스펙트럼 및/또는 피검체의 생체 정보 등을 청각적 방법, 시각적 방법 및 촉각적 방법 중 적어도 하나의 방법으로 출력할 수 있다. 이를 위해 출력부(1160)는 디스플레이, 스피커, 진동기 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 작성되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
100: 라만 프로브
110: 광원부
120: 집광기
130: 집광 렌즈
140: 광 검출기
110: 광원부
120: 집광기
130: 집광 렌즈
140: 광 검출기
Claims (20)
- 피검체에 광을 조사하는 광원부;
반사를 통해 상기 피검체로부터의 라만 산란광을 1차 집광하며, 광축을 기준으로 입사구의 반사면 기울기가 출사구의 반사면 기울기보다 작은 집광기;
상기 1차 집광된 라만 산란광을 2차 집광하는 집광 렌즈; 및
상기 2차 집광된 라만 산란광을 검출하는 광 검출기; 를 포함하는,
라만 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 집광기는,
광축을 회전축으로 하는 회전체인,
라만 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 집광기의 반사면은,
상기 집광기의 내주면에 형성되는,
라만 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 집광기는,
입사구에서 출사구로 갈수록 반사면 기울기가 커지는,
라만 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 집광기의 출사구의 내측 직경과 상기 집광 렌즈의 클리어 어퍼쳐(clear aperture)의 차이가 소정의 임계값 이하인,
라만 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 집광기의 광축 방향 길이는,
상기 입사구의 내측 직경의 10배 이하인,
라만 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 집광기와 상기 집광 렌즈 사이의 거리는,
상기 집광기의 광축 방향 길이보다 작은,
라만 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 집광기는,
상기 피검체로부터의 라만 산란광 중 상기 집광 렌즈의 수광각(acceptance angle)을 초과하는 각도의 라만 산란광은 반사시키고, 상기 피검체로부터의 라만 산란광 중 상기 집광 렌즈의 수광각 이하 각도의 라만 산란광은 반사시키지 않는,
라만 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 집광기의 내측 반경은,
입사구의 내측 반경, 입사구의 반사면 기울기, 및 광축 방향 거리를 기반으로 결정되는,
라만 프로브. - 제9항에 있어서,
상기 입사구의 내측 반경 및 상기 입사구의 반사면 기울기는,
상기 집광 렌즈의 뉴메리컬 어퍼쳐(Numerical Aperture), 상기 광 검출기의 크기, 및 상기 광 검출기가 검출할 수 있는 최대 발산각(divergence angle) 중 하나 이상을 고려하여 결정되는,
라만 프로브. - 제1항에 있어서,
상기 집광 렌즈와 상기 광 검출기 사이에 배치되는 광 파이버; 를 더 포함하는,
라만 프로브. - 피검체에 광을 조사하는 광원;
반사를 통해 상기 피검체로부터의 라만 산란광을 1차 집광하며, 광축을 기준으로 입사구의 반사면 기울기가 출사구의 반사면 기울기보다 작은 집광기; 및
상기 집광된 라만 산란광을 검출하는 광 검출기; 를 포함하는,
라만 프로브. - 제12항에 있어서,
상기 집광기는,
광축을 회전축으로 하는 회전체인,
라만 프로브. - 제12항에 있어서,
상기 집광기의 반사면은,
상기 집광기의 내주면에 형성되는,
라만 프로브. - 제12항에 있어서,
상기 집광기는,
입사구에서 출사구로 갈수록 반사면 기울기가 커지는,
라만 프로브. - 제12항에 있어서,
상기 집광기의 광축 방향 길이는,
상기 입사구의 내측 직경의 10배 이하인,
라만 프로브. - 제12항에 있어서,
상기 집광기와 상기 광 검출기 사이의 거리는,
상기 집광기의 광축 방향 길이보다 작은,
라만 프로브. - 제12항에 있어서,
상기 집광기는,
상기 피검체로부터의 라만 산란광 중 상기 광 검출기가 검출할 수 있는 최대 발산각을 초과하는 각도의 라만 산란광은 반사시키고, 상기 피검체로부터의 라만 산란광 중 상기 광 검출기가 검출할 수 있는 최대 발산각 이하 각도의 라만 산란광은 반사시키지 않는,
라만 프로브. - 제12항에 있어서,
상기 집광기의 내측 반경은,
입사구의 내측 반경, 입사구의 반사면 기울기, 및 광축 방향 거리를 기반으로 결정되는,
라만 프로브. - 제19항에 있어서,
상기 입사구의 내측 반경 및 상기 입사구의 반사면 기울기는,
상기 광 검출기의 크기, 및 상기 광 검출기가 검출할 수 있는 최대 발산각(divergence angle) 중 하나 이상을 고려하여 결정되는,
라만 프로브.
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